JP3779041B2

JP3779041B2 - アクティブフィルタ装置

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Publication number: JP3779041B2
Application number: JP20964497A
Authority: JP
Inventors: 恵益本
Original assignee: Shizuki Electric Co Inc
Current assignee: Shizuki Electric Co Inc
Priority date: 1997-07-17
Filing date: 1997-07-17
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2017-07-17
Also published as: JPH1141810A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、交流電力系統の電流波形を補償するアクティブフィルタ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
産業用インバータ装置やサイリスタ装置等から発生する高調波が、変圧器、コンデンサ等の電力用機器や位相制御機器等に種々の影響を与え、これらの機器に種々の障害を及ぼし得ることが知られている。そのため上記サイリスタ装置等を負荷として電力を供給する交流電力系統においては、電圧形インバータを用いて高調波電流を補償するアクティブフィルタ装置が従来用いられている（例えば特開昭６０−２１３２２６号公報）。このアクティブフィルタ装置は、信号検出回路とインバータ部とを有して成り、信号検出回路によって負荷電流に含まれる高調波成分を抽出するとともに、抽出した高調波成分に基づいて上記インバータ部をＰＷＭ制御するようになっている。そしてこのインバータ部からリアクトルを介して上記高調波成分と逆位相の高調波補償電流を電力系統ラインに流し、これによって負荷電流に含まれる高調波成分を相殺して高調波成分が電源電流に含まれることとなるのを防止するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで上記アクティブフィルタ装置の信号検出回路としては、まずバンドパス（ノッチ）フィルタによって基本波成分を分離するものが挙げられる。このような手法による信号検出回路は構成が簡素であり、また単相交流、三相交流のいずれにも適用し得るものである。しかしながらこのような信号検出回路では分離できる基本波周波数が固定されるので、電力系統ラインの交流周波数が異なればその数だけ構成の異なる信号検出回路が必要になるという問題があった。また交流周波数が変動するような場合にも、信号検出回路によって基本波成分を確実に分離できなくなるという問題があった。
【０００４】
次に上記信号検出回路として、フーリエ級数演算によって周波数成分の分解及び合成をするものがある。このような信号検出回路は、単相交流あるいは三相交流のいずれにも適用し得るものである。しかしながらこれをバンドパスフィルタを用いたアナログ方式で構成するにせよ、またディジタル信号処理用プロセッサ（ＤＳＰ）を用いてディジタル方式で構成するにせよ、いずれも構成が複雑になってしまうという問題があった。
【０００５】
さらに近年においては、瞬時電力あるいは同期回転２軸座標での瞬時電流を演算して基本波成分を分離することも行われるようになってきている。しかしながらこの手法によれば、三相交流には適用できるものの単相交流には適用することができないという問題がある。
【０００６】
この発明は上記従来の欠点を解決するためになされたものであって、その目的は、交流周波数の変動や変更があっても、交流電力系統の高調波電流を確実に補償することが可能なアクティブフィルタ装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
そこで請求項１のアクティブフィルタ装置は、交流電力系統１に接続され、その電流波形に含まれる高調波成分を抽出するとともにこれと逆位相の高調波補償電流をインバータ部２０から交流電力系統１に供給して電流波形を補償するよう成されたアクティブフィルタ装置において、信号検出回路２１を備え、この信号検出回路２１は、スイッチトキャパシタフィルタによる帯域通過フィルタとして構成された信号濾波手段３を備え、さらに、信号濾波手段３は、電流波形に含まれる基本波成分を抽出して出力するよう成されるとともに、減算手段７を設け、減算手段７は、上記基本波成分を電流波形から差し引くことによって電流波形に含まれる高調波成分を抽出して出力すべく構成し、また、上記交流電力系統１からその電圧波形を検知して出力する検知手段４と、この検知手段４の出力信号に基づいて交流周波数の所定倍の周波数を有するスイッチング信号を出力するフェーズロックループ回路よりなる信号出力手段５とを設け、この信号出力手段５から出力されるスイッチング信号によって上記スイッチトキャパシタフィルタ３のスイッチング制御を行うことによって電流波形に含まれる上記高調波成分を抽出するようにしたことを特徴としている。
【０００８】
上記請求項１のアクティブフィルタ装置では、交流電力系統１の周波数変化に従って信号濾波手段３が抽出する信号周波数も変化する。従って交流電力系統１の交流周波数が変化した場合にも、常に確実に電流波形の基本波成分を抽出することが可能となる。また帯域通過フィルタを用いた構成を基本としているので、その構成を簡素なものとすることが可能となる。また、このアクティブフィルタ装置では、交流電力系統１の交流周波数が変化した場合でも、電流波形に含まれる高調波成分を確実に抽出することが可能となる。このように、請求項１のアクティブフィルタ装置では、交流電力系統１の交流周波数が変化した場合でも、抽出すべき高調波成分を電流波形から確実に抽出できるので、簡素な構成でありながら電流波形を確実に補償することが可能となる。
【００１７】
請求項２のアクティブフィルタ装置は、上記交流電力系統１は、三相交流であることを特徴としている。
【００１８】
上記請求項２のアクティブフィルタ装置では、三相交流における電流波形を簡素な構成で確実に補償することが可能となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、この発明のアクティブフィルタ装置の具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下において説明する実施形態２〜４は、いずれも参考例として付記したものである。
【００２０】
（実施形態１）
上記アクティブフィルタ装置は、三相交流電源に接続された交流電力系統を構成する３本の電力系統ラインに対し、それぞれ負荷と並列に接続された３つのアクティブフィルタ回路によって構成されるものである。しかし各アクティブフィルタ回路はそれぞれ同一の構成であるから、ここでは上記３本の電力系統ラインのうち１本の電力系統ラインに接続されたアクティブフィルタ回路についてのみ説明する。
【００２１】
図１は、上記アクティブフィルタ回路を示す構成図である。このアクティブフィルタ回路は、スイッチング素子１５、１６を備えたインバータ部２０とコンデンサ１７とから成る主回路と、負荷電流波形に含まれる高調波成分を出力する補償電流検出部２５と、上記インバータ部２０を制御するＰＷＭ変調器１３、１４とを備えて構成され、上記インバータ部２０の出力側は、リアクトル１９を介して電力系統ライン１に接続されている。またこの電力系統ライン１には負荷電流検出器（以下「ＣＴ」という。）２が設けられ、その出力が上記補償電流検出部２５に入力される一方、電流検出器１８によってインバータ部２０の出力電流波形が検出されるようになっている。
【００２２】
上記のようなアクティブフィルタ回路においては、電流検出器１８で検出された補償電流波形Ｉ_Cと補償電流検出部２５から出力される高調波制御波形Ｉ_Hとが等しくなるように、つまり減算器１２の出力がゼロとなるように、ＰＷＭ変調器１３、１４が動作する。そして補償電流検出部２５は、ＣＴ２で検出した負荷電流波形に基づいてその高調波成分を出力するから、結局上記インバータ部２０からは、負荷電流波形に含まれる高調波成分と逆位相の電流が、高調波補償電流としてリアクトル１９を介して電力系統ライン１に流れることになる。そしてこれによって電力系統ライン１の高調波成分が相殺され、電源電流波形が補償されて正弦波となる。
【００２３】
上記補償電流検出部２５は、上述のように負荷電流波形に含まれる高調波成分を出力するものであり、信号検出回路２１、制御器１１、及び減算器１０から成っている。しかしこのうち制御器１１と減算器１０とは、上記高調波補償電流を流す電源を確保するためコンデンサ１７の両端電圧を一定とすべく作用するものであって、ＣＴ２で検出した負荷電流波形から高調波成分を抽出するのは信号検出回路２１の作用によるものである。そこで以下では、この信号検出回路２１について説明する。
【００２４】
信号検出回路２１は、信号濾波手段として機能するスイッチトキャパシタフィルタ（以下「ＳＣＦ」という。）３、相電圧検出器（以下「ＰＴ」という。）４、フェーズロックループ回路（以下「ＰＬＬ」という。）５、及び減算器７から構成されている。ＣＴ２は、電力系統ライン１を流れる負荷電流の波形を検出し、これを交流信号として出力する。出力された交流信号は、入力端子３７からＳＣＦ３に入力される。そしてこのＳＣＦ３の出力端子３８から出力される信号と上記交流信号とが減算器７に入力され、上記交流信号からＳＣＦ３の出力信号を差し引いた信号が減算器７から出力される。一方、ＰＴ４は、その入力側が電力系統ライン１に接続され、電力系統ライン１の電圧波形を検出して出力する検知手段である。このＰＴ４の出力信号は電力系統ライン１の交流周波数を有する正弦波であって、ＰＬＬ５に入力される。そしてこの交流周波数は、上記ＣＴ２から出力される電流波形信号の基本波周波数（例えば６０Ｈｚ）に等しい。またＰＬＬ５は、位相比較器、分周器、電圧制御発振器等から成る公知のものであって、入力された信号に対し、分周器に設定された分周比の逆数倍（例えば５０倍、１００倍等）に相当する周波数の信号を出力するものである。従ってこのＰＬＬ５は、上記基本波周波数の所定倍周波数の信号を出力する信号出力手段として機能し、出力された信号は、スイッチング信号としてＳＣＦ３の制御信号端子４４に入力される。
【００２５】
図５は、上記ＳＣＦ３の構成を示す回路図である。同図（ａ）は上記ＳＣＦ３の等価回路図であるが、この図に示すように上記ＳＣＦ３は、演算増幅器３６を用いた帯域通過フィルタ（反転型ノッチフィルタ）として構成されている。そしてこの等価回路中の３つの抵抗３１、３２、３３が、それぞれ同図（ｂ）に示す回路で構成される。この回路は、両端子４２、４３間にコンデンサ４１を並列に接続し、このコンデンサ４１の両側にスイッチング素子３９、４０を設けたものである。このスイッチング素子３９、４０は、制御信号端子４４に入力されたスイッチング信号によって相補動作、すなわち一方のスイッチング素子３９がＯＮであれば他方のスイッチング素子４０がＯＦＦとなり、また上記一方のスイッチング素子３９がＯＦＦであれば他方のスイッチング素子４０がＯＮとなる動作を行うものである。ここで上記スイッチング信号のスイッチング周波数をｆ_sw、コンデンサ４１の容量をＣ_Rとすると、同図（ｂ）に示す回路の等価抵抗値Ｒは、
【数１】

で表される。一方、同図（ａ）に示すノッチフィルタの中心周波数ｆ_oは、コンデンサ３４、３５の容量をそれぞれＣ₁、Ｃ₂とし、また抵抗３１、３２、３３の抵抗値をそれぞれＲ₁、Ｒ₂、Ｒ₃とすると、
【数２】

で表される。そこで式（１）で表される各等価抵抗値を式（２）に代入すると、上記中心周波数ｆ_oは、
【数３】

と表される。すなわち、ＳＣＦ３によって抽出される信号の周波数ｆ_oは、制御信号端子４４に与えられるスイッチング信号のスイッチング周波数ｆ_swに比例するということである。そしてこのスイッチング周波数ｆ_swは、電力系統ライン１の交流周波数の所定倍として形成されている。従ってＳＣＦ３の各定数及びＰＬＬ５の分周比を調整して上記周波数ｆ_oが電力系統ライン１の交流周波数に一致するようにしておけば、この交流周波数が変動してもこれに追従して上記周波数ｆ_oも変動するので、上記ＳＣＦ３からは、入力された交流信号の基本波成分を常に確実に抽出して出力することができる。そして上述のように減算器７では交流信号からＳＣＦ３の出力信号が差し引かれるから、結局上記信号検出回路２１からは、上記交流信号に含まれる高調波成分が基本波周波数の変動に追従して出力されることになる。従ってこのアクティブフィルタ回路では、電力系統ライン１の交流周波数の変動にかかわらず、上記補償電流検出部２５から負荷電流に含まれる高調波成分を正確かつ確実に出力することができる。
【００２６】
上記アクティブフィルタ回路に備えられた信号検出回路２１からは、上述のように電力系統ライン１の交流周波数の変動に追従して、負荷電流波形の高調波成分が出力される。従って上記アクティブフィルタ回路によれば、交流周波数の変動があっても、電力系統ライン１の高調波電流を確実に補償することができる。また交流周波数が例えば５０Ｈｚである場合にも、あるいは６０Ｈｚである場合にも、それぞれ同一の構成のアクティブフィルタ回路を用いることができるので、コストダウンを図ることができる。さらに帯域通過フィルタを用いた構成を基本としているので、その構成を簡素なものとすることができる。そして上記構成によれば、上記アクティブフィルタ回路を１つ備えた単相交流用のアクティブフィルタ装置も、同回路を３つ備えた三相交流用のアクティブフィルタ装置も、容易に構成することができる。
【００２７】
以上にこの発明の具体的な実施の形態について説明したが、この発明は上記形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。上記では交流周波数の所定倍の周波数を有する信号をＰＬＬ５から出力し、このＰＬＬ５を信号出力手段として機能させたが、これは例えばマイクロコンピュータによって同様の機能をさせるようにしてもよい。またＳＣＦ３によって反転形ノッチフィルタを構成したが、これは例えば非反転形の帯域通過フィルタとして構成してもよい。
【００２８】
（実施形態２）
図２は、この発明の実施形態２として、信号検出回路を用いた信号モニタ装置を示している。この信号モニタ装置の信号検出回路は、ＣＴ２、ＳＣＦ３、ＰＴ４、及びＰＬＬ５を備えている。これらは図１に示す上記アクティブフィルタ回路における場合と同様に接続され、さらにＳＣＦ３の出力端子３８には計測器（レベルメータ）６が接続されている。またＳＣＦ３の構成は、図５に示す通りである。
【００２９】
上記信号モニタ装置では、ＰＬＬ５から出力されるスイッチング信号の周波数を、交流周波数の例えば５０倍とすることにより、計測器６で負荷電流波形に含まれる基本波成分のレベルをモニタすることができる。また同じ状態でスイッチング信号の周波数を２倍、すなわち上記の例では交流周波数の１００倍とすると、負荷電流波形に含まれる２次高調波成分のレベルをモニタすることができる。同様にしてＰＬＬ５から出力するスイッチング信号の周波数を変更することによって、各次数の高調波信号のレベルをそれぞれモニタすることができる。そして交流周波数に変動があってもＳＣＦ３から抽出される信号の周波数もこれに追従して変動するから、モニタされた値は常に正確な値である。またスイッチング信号の周波数を変更することはＰＬＬ５の分周器における分周比を変えることによってできるから、比較的に容易に行うことが可能である。
【００３０】
（実施形態３）
図３は、この発明の実施形態３として、信号検出回路を用いた信号モニタ装置を示している。このモニタ装置の信号検出回路はＣＴ２、ＳＣＦ３、ＰＴ４、ＰＬＬ５、及び減算器７を備えている。これらは図１に示す上記アクティブフィルタ回路における場合と同様に接続され、さらに減算器７の出力には計測器６が接続されている。またＳＣＦ３の構成は、図５に示す通りである。
【００３１】
上記信号モニタ装置では、ＰＬＬ５から出力されるスイッチング信号の周波数を調整してＳＣＦ３から負荷電流波形の基本波成分を出力することにより、負荷電流波形に含まれる高調波成分の総和をモニタすることができる。またＳＣＦ３から特定次数の高調波成分を出力すれば、特定次数の高調波を除いた信号成分のレベルをモニタすることができる。いずれの場合にも、交流周波数の変動にかかわらず、モニタされた値は常に正確である。
【００３２】
（実施形態４）
図４は、この発明の実施形態４として、信号検出回路を用いたリレー装置を示している。このリレー装置の信号検出回路の構成は、図３に示す信号検出回路の構成と同様である。そして減算器７の出力側に、入力された交流信号の実効値を直流信号として出力する実効値回路２３が接続され、さらにこの実効値回路２３の出力側に、入力された直流信号のレベルと基準電圧２４とを比較する比較器８が接続されている。この比較器８の出力端には、入力信号レベルが基準電圧よりも高かったときにＨＩＧＨレベルの電圧が出現し、リレー９に電流が流れてその接点９ａを開成するようになっている。
【００３３】
上記リレー装置では、ＰＬＬ５から出力されるスイッチング信号の周波数を調整して、例えば減算器７から負荷電流波形に含まれた高調波成分が出力されるようにしておくと、高調波成分が所定レベルを超えたときにリレー９が開成する。従ってこれを機器の高調波障害に対する保護回路として機能させることができる。そしてこの場合にも、交流周波数の変動にかかわらずに常に正確な保護動作を行うことができるし、また電力系統ライン１の周波数の数だけ異なる種類の装置を用意する必要もない。
【００３４】
【発明の効果】
上記請求項１のアクティブフィルタ装置では、簡素な構成でありながら、交流電力系統の交流周波数が変動しても、これに追従した正確な信号抽出が可能となる。また異なる交流周波数毎に異なる構成の回路とする必要がないから、コストダウンを図ることも可能となる。また、交流電力系統の交流周波数が変化した場合でも、電流波形に含まれる高調波成分を確実に抽出することが可能となる。このように、請求項１のアクティブフィルタ装置では、簡素な構成でありながら、交流電力系統の交流周波数が変動しても、電流波形の確実な補償が可能となる。また異なる交流周波数毎に異なる構成の装置とする必要がないから、コストダウンを図ることも可能となる。
【００３９】
請求項２のアクティブフィルタ装置では、三相交流における電流波形を簡素な構成で補償することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施形態１のアクティブフィルタ装置を構成するアクティブフィルタ回路を示す構成図である。
【図２】この発明の実施形態２として、信号検出回路を用いた信号モニタ装置を示す構成図である。
【図３】この発明の実施形態３として、信号検出回路を用いた信号モニタ装置を示す構成図である。
【図４】この発明の実施形態４として、信号検出回路を用いたリレー装置を示す構成図である。
【図５】信号検出回路を構成するスイッチトキャパシタフィルタを示し、（ａ）はその等価回路図であり、（ｂ）は等価抵抗の回路図である。
【符号の説明】
１電力系統ライン
３スイッチトキャパシタフィルタ（ＳＣＦ）
４相電圧検出器（ＰＴ）
５フェーズロックループ（ＰＬＬ）
７減算器
２０インバータ部
２１信号検出回路

Claims

交流電力系統（１）に接続され、その電流波形に含まれる高調波成分を抽出するとともにこれと逆位相の高調波補償電流をインバータ部（２０）から交流電力系統（１）に供給して電流波形を補償するよう成されたアクティブフィルタ装置において、信号検出回路（２１）を備え、この信号検出回路（２１）は、スイッチトキャパシタフィルタによる帯域通過フィルタとして構成された信号濾波手段（３）を備え、さらに、信号濾波手段（３）は、電流波形に含まれる基本波成分を抽出して出力するよう成されるとともに、減算手段（７）を設け、減算手段（７）は、上記基本波成分を電流波形から差し引くことによって電流波形に含まれる高調波成分を抽出して出力すべく構成し、また、上記交流電力系統（１）からその電圧波形を検知して出力する検知手段（４）と、この検知手段（４）の出力信号に基づいて交流周波数の所定倍の周波数を有するスイッチング信号を出力するフェーズロックループ回路よりなる信号出力手段（５）とを設け、この信号出力手段（５）から出力されるスイッチング信号によって上記スイッチトキャパシタフィルタ（３）のスイッチング制御を行うことによって電流波形に含まれる上記高調波成分を抽出するようにしたことを特徴とするアクティブフィルタ装置。
上記交流電力系統（１）は、三相交流であることを特徴とする請求項１のアクティブフィルタ装置。